计算机网络滑动窗口协议

注：此文档仅用于学习记录，部分内容引用于王道考研的视频课

一、滑动窗口协议分类

滑动窗口协议主要分为以下三类：停止等待协议（Stop-and-Wait ARQ）、后退N帧协议（Go-Back-N ARQ）和选择性重传协议（Selective Repeat ARQ）‌‌。

‌停止等待协议（Stop-and-Wait ARQ）‌：这是最简单的滑动窗口协议形式，窗口大小固定为1。发送方发送一个数据帧后，停止发送并等待接收方的确认帧（ACK）。如果在规定时间内收到ACK，发送方继续发送下一个数据帧；若超时未收到ACK，则重发该数据帧。这种协议的优点是简单易实现，但缺点是信道利用率低，因为发送方在等待确认的过程中处于空闲状态‌。

‌后退N帧协议（Go-Back-N ARQ）‌：该协议的发送窗口大小大于1，接收窗口大小仍为1。发送方可以连续发送多个数据帧，而不需要等待每个帧的确认。接收方按顺序接收数据帧，如果收到一个正确的帧，就发送一个确认帧给发送方。如果某个帧丢失或出错，接收方会等待后续的帧，直到收到一个序号不正确的帧时，才发送一个针对最后一个正确接收帧的确认帧。这种协议提高了信道利用率，但在信道误码率高的情况下，可能会导致发送方的发送进度经常需要后退，传输效率低下‌。

‌选择性重传协议（Selective Repeat ARQ）‌：在这种协议中，每个数据帧发出时都设置一个计时器。如果某个数据帧未收到确认，计时器超时后重传该数据帧。如果接收方检测到错误，会发送否认帧（NAK）给发送方，发送方收到NAK后重传对应的数据帧。这种协议允许发送方只重传丢失或出错的数据帧，而不是整个窗口内的数据帧，提高了传输的可靠性‌。

注意：上述的三种协议目前没有明确规定用于计算机网络的哪一层中，由于教材的更新，实际上三种ARQ可以作用于数据链路层也可以作用于传输层，如果作用于链路层，那么发送的数据就是帧；如果说作用于传输层，那么发送的数据就是数据报，此时滑动窗口协议在教材中还有另一种说法：TCP流量控制、拥塞控制。
本文的二、三、四章节主要针对链路层的实现，对于传输层的概念集中于五、六两章节讲解！

二、停止等待协议

顾名思义，发送发 发送了一帧数据后，必须等到接收方接受到信息，并返回一个ack确认帧后才能再次发送第二帧，可以将停止等待协议看成一个特殊的，发送方和接收方的窗口大小都是1的滑动窗口协议。
1.停等协议无差错情况

这边为什么需要1bit来编号，而且为什么1位就足够呢？可以不编号吗？带着这些疑问往下看，当出现差错的情况下怎么办？

2.发送方出现差错

发送方发送1帧后，在RTT时间内没有收到确认帧，那么就会触发超时重传，这里有两点需要注意的：
(1)由于需要触发超时重传，所以每次发送帧的时候都需要保存当前帧的一个副本
(2)数据帧和确认帧需要编号，这个就是上一小节的疑问点了，为什么要编号很好理解，因为接收方如果收到了相同的帧序号，就说明这是一个重复帧，那么会丢弃上一帧，如果不编号，那么发送方不知道接收方你给我的确认帧是哪一帧的，接收方也不知道你发送的帧是不是重复帧，就会出现数据传输不可靠

那为什么用1位就可以呢？其实答案和上述的一样，1位bit可以表示0和1。我们模拟一下场景：
发送方：发送0帧。接收方：收到0帧，发送ACK=0
发送方：收到ACK=0，发送1帧。接收方：收到1帧，但是接收方检测到这个帧有问题，那好，我不给发送方确认信息了，因为这个帧有问题
发送方：RTT超时重传，没有收到ACK=1，说明需要重传1号帧，而不是0号帧。接收方：收到了1号帧的重传，因为帧编码是1，所以明确知道这个重传的是哪一个帧。
所以1位bit位就足够了（本质原因还是停等协议窗口大小就=1），那么有同学会问？2位3位更多位可以吗？当然可以，只是没必要浪费存储空间

3.接收方出现差错
接收方出现差错即ACK丢失，和2小节的概念其实也差不多很好理解，发送方超时重传了1帧，然后接收方收到了1帧，由于帧已经编号了，所以知道这个帧是要覆盖掉原来的帧，这里也可以解释为什么要对帧编号的理由。

4.ACK延迟

以上图为例，发送方发了0帧后，接收方发送的ACK=0在网络上太慢了，这时候发送方启动了超时重传，重新发送0帧，这时候接收方收到后 丢弃重复的0帧，重新发第二个ACK=0，并且这时候网速正常，接收方也收到了ACK=0，并且开始发送1帧，但发送完1帧后，接收方才收到了最早的第一个ACK=0的信息，这时候发送方就要对这个信息丢弃，那么接收方怎么知道这个ACK信息不是刚才发的1帧的ACK呢？很简单因为编码了呀！ACK=0，这里同样也可以解释为什么要对帧编码

5.停等协议性能分析

TD、TA表示的这一帧从第0bit开始发送，到最后一位bit发送结束的时间（发送n位bit的事件），也叫发送时延
RTT表示往返时延
相关例题：

题干分析：4kb/s就是发送bit速度，单向传播时延是30ms，那么RTT往返就是60ms，